淮北平原麥地重金屬含量特征分析與污染評價

都小荷 唐浩楠 黃文瀾 楊志強 張勇

摘要 [目的]分析淮北平原麥地重金屬的污染現(xiàn)狀，為其污染防治和保障人群健康提供相應(yīng)的科學(xué)支持。[方法]采用四分法在淮北平原麥地采集土壤樣品，測定重金屬元素Pb、Cd、Cr、Zn、Cu和As的含量，運用污染負荷指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法進行重金屬污染評價與生態(tài)風(fēng)險評估。[結(jié)果]重金屬Pb、Cd、Cr、Zn、Cu和As的平均含量分別為46.11、1.13、94.67、80.31、32.71和6.11 mg/kg。污染負荷指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)表明土壤中As為無污染，Pb、Cr和Cu處于輕度污染，Cd為重度污染;Zn經(jīng)污染負荷指數(shù)法計算為無污染，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法計算為輕度污染。潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)表明，Zn、Cr、As、Cu屬于低風(fēng)險，Pb為中等風(fēng)險，Cd為很強風(fēng)險。[結(jié)論]Cd是最主要的污染因子，也是最主要的潛在生態(tài)風(fēng)險因子。

關(guān)鍵詞 土壤;重金屬;含量測定;污染評價;污染負荷指數(shù);內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù);潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

中圖分類號 X 825文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）02-0082-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.02.021

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Characteristic Analysis and Pollution Evaluation of Heavy Metal Content in Wheat Field in Huaibei Plain

DU Xiao-he，TANG Hao-nan，HUANG Wen-lan et al （School of Environmental and Surveying Engineering，Suzhou University，Suzhou，Anhui 234000）

Abstract [Objective]To analyse the pollution status of heavy metals in the wheat fields of Huaibei Plain， and provide the corresponding scientific support for the pollution prevention and control and the protection of human health. [Method] A quartet method was used to collect soil samples from wheat fields in Huaibei Plain， and the contents of heavy metals such as Pb， Cd， Cr， Zn， Cu and As were determined. The heavy metal pollution assessment and ecological risk assessment were carried out by using pollution load index， Nemerow comprehensive pollution index and potential ecological risk index. [Result]The average contents of Pb， Cd， Cr， Zn， Cu and As were 46.11， 1.13， 94.67， 80.31， 32.71 and 6.11 mg/kg， respectively. The pollution load index and Nemerow composite pollution index showed that As was unpolluted， Pb， Cr and Cu were slightly polluted， and Cd was heavily polluted. Zn is calculated as non-polluting by the pollution load index method， and it is lightly polluted under the Nemeiro comprehensive pollution index method.The potential ecological risk index showed that Zn， Cr， As， Cu were low risks， Pb was a medium risk， and Cd was very strong risk.[Conclusion]Cd is the most important pollution factor and the most potential ecological risk factor.

Key words Soil;Heavy metals;Content determination;Pollution evaluation;Pollution load index; Nemeiro comprehensive pollution index;Potential ecological risk index

基金項目 宿州學(xué)院大學(xué)生科研項目（KYLXYBXM20-061）;安徽省教育廳人文社科重點項目（SK2020A0528）;宿州學(xué)院重點科研項目（2017yzd13）;安徽省教育廳質(zhì)量工程項目（2020szsfkc1024）;安徽省校級質(zhì)量工程項目（szxy2020xskc04）。

作者簡介 都小荷（2000—），女，安徽銅陵人，從事資源環(huán)境質(zhì)量評價研究。*通信作者，副教授，碩士，從事資源環(huán)境質(zhì)量評價研究。

收稿日期 2021-04-28

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，更是人類生存和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，為人類的生存提供多種營養(yǎng)物質(zhì)元素[1-2]。隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，重金屬污染物通過各種途徑進入土壤中，具有流動性低、滯留性久、不易被微生物降解和毒性累積效應(yīng)強等污染特征，造成土壤質(zhì)量嚴重惡化，降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，且會通過食物鏈危害人體健康[3-4]。自20世紀中期以來，許多學(xué)者針對土壤中重金屬污染進行了廣泛的研究，并提出了諸多評價模型，如區(qū)域重金屬分布模型、重金屬污染土壤修復(fù)模型、城市表層土壤重金屬污染分析模型等[5-7]。

淮北平原是我國重要的小麥商業(yè)谷物生產(chǎn)基地，在選取麥地代表樣區(qū)基礎(chǔ)上，測定土壤樣本中重金屬元素Pb、Cd、Cr、Zn、Cu和As的含量，采用污染負荷指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對麥地土壤進行重金屬含量特征分析與污染評價，可掌握研究區(qū)域的重金屬污染現(xiàn)狀，為其污染防治和保障人群健康提供相應(yīng)的科學(xué)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 淮北平原農(nóng)業(yè)區(qū)地處安徽北部、黃淮海平原南部（114°55′～118°10′E，32°25′～34°35′N），屬溫帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，降水主要集中在夏季，汛期降水量占全年總降水量的60%，年均溫度14～15 ℃，年日照時數(shù)2 088～2 315 h，農(nóng)業(yè)區(qū)無霜期200～220 d，土壤質(zhì)地為砂姜黑土，有利于發(fā)展商品谷物農(nóng)業(yè)。

皖北平原地區(qū)戶籍人口3 152.5萬，農(nóng)業(yè)人口1 526.3萬，耕地總面積213.8萬hm2，占全省耕地總面積的47.8%。該區(qū)盛產(chǎn)小麥，年種植優(yōu)質(zhì)小麥6.7萬hm2，單產(chǎn)5 625 kg/hm2，農(nóng)業(yè)及農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)。

1.2 樣點的布設(shè)采集與樣品預(yù)處理

選取淮北平原代表區(qū)域蕭縣為采樣區(qū)域，共采集土樣23個，運用GPS進行定位，使用網(wǎng)格布點法進行樣點布設(shè)，四分法采集土壤樣品，取出0～20 cm的表層土壤去除雜物，裝袋標記后放在干燥處通風(fēng)晾干，磨碎后密封備測。土壤重金屬含量采用酸溶法（HNO 3-HClO 4-HF）加熱消解，放入聚四氟乙烯器皿，加少許去離子水濕潤，然后加入濃縮 HNO 3 15 mL，樣品蒸至接近白色，取出樣品并加入10%硝酸溶液到50 mL容量瓶中。采用《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》進行Pb、Cd、Cr、Zn、Cu和As重金屬含量的測定，得出重金屬元素在土壤中的含量。

1.3 研究方法

1.3.1 污染負荷指數(shù)法。污染負荷指數(shù)（pollution load index，PLI）法是一種較為便捷簡單的土壤重金屬污染評價方法，可以直觀反映出各類污染物對整體污染狀況的貢獻程度以及空間變化趨勢，是其他特征分析和綜合污染評價的方法基礎(chǔ)[8-10]。

計算公式如下：

CF i=ci r/ci n（1）

PLI=nCF 1×CF 2×…×CF n（2）

式中，CF i是重金屬i的單一污染指數(shù);ci r為重金屬i的含量實測值;ci n 為重金屬i的背景值，選用《中國土壤背景值》中的中國土壤（A層）元素背景值，其中，Pb、Cd、Cr、Zn、Cu、As元素背景值分別為34.40、0.14、65.80、85.40、25.30、18.00 mg/kg。CF i與PLI的污染分級標準詳見表1。

1.3.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。

內(nèi)梅羅（Nemerow）綜合污染指數(shù)法可對環(huán)境的污染狀況進行綜合性的評價，當土壤受到多種重金屬污染時，該方法能夠體現(xiàn)整體污染狀況和突出主要污染物，與單因子污染評價方法相比考慮了各個單因子的最大值與平均值，強調(diào)了一組數(shù)據(jù)中最大值的影響，在一定程度上可彌補單因子指數(shù)法的缺陷[11-12]。計算公式如下：

P 綜合=（CF iave2+CF imax2）/2（3）

式中，P 綜合為土壤綜合污染指數(shù)，CF iave為重金屬元素評價中單因子污染指數(shù)的平均值，CF imax是最大單項污染值。P 綜合的污染分級標準詳見表2。

1.3.3 潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法。

潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法利用毒理學(xué)的相關(guān)知識，根據(jù)重金屬的特性和環(huán)境行為，從沉積學(xué)的角度，分析土壤母質(zhì)和沉積物中重金屬的含量，考慮了各重金屬獨特的生態(tài)危害，可以為農(nóng)業(yè)的發(fā)展與土壤重金屬環(huán)境污染問題的治理提供依據(jù)[13-15]。計算公式如下：

RI= Ei r（4）

Ei r=Ti r×CF i（5）

式中，RI為綜合潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù);Ei r為r樣點重金屬i的單項潛在生態(tài)危害系數(shù);Ti r為某一種重金屬i的毒性系數(shù)，Cd、As、Cu、Pb、Cr、Zn這6種重金屬的毒性系數(shù)分別為30、10、5、5、2、1。根據(jù)Hakanson[16]所劃分的分級標準，Ei r和RI的分級見表3。

2 結(jié)果與分析

2.1 淮北平原麥地土壤重金屬含量特征

運用SPSS 25.0對研究區(qū)重金屬含量進行統(tǒng)計分析，具體結(jié)果見表4和圖1。由表4和圖1可知，土壤中Pb、Cd、Cr、Cu平均含量超過背景值，其中Cd的超標倍數(shù)達到7.07倍;Zn和As的平均含量分別是背景值的94%和34%，其中Zn接近背景值。Pb、Cr、Zn、Cu和As的最小值小于背景值，而Cd的最小值是背景值的3.93倍;除了As最大值比背景值小，Zn、Cu、Pb、Cr、Cd最大值均大于背景值，其中Cd的超標倍數(shù)達到15.57倍。Pb、Cd、Cr、Cu超標樣點數(shù)比例均在75%以上，Cd和Cu的超標樣點數(shù)比例達到100%，As沒有超標樣點。

樣品變異程度的重要尺度由變異系數(shù)表現(xiàn)，它在一定程度上可以反映人為活動對于樣品的影響程度[17]。變異系數(shù)（CV）劃分為3個等級：CV<10%，弱變異;10%≤CV≤30%，中等變異;CV>30%，強變異。6種重金屬變異系數(shù)由小到大依次為Cu<Pb<Zn<Cr<As<Cd;所測的重金屬元素變異系數(shù)均大于20%，其中As和Cd的變異系數(shù)大于30%，Cd的變異系數(shù)甚至達41.06%。從整體上看，淮北平原土壤重金屬含量的變異系數(shù)較大，說明該地區(qū)人類活動對土壤元素影響程度較大，需對該地土壤狀況進一步進行分析與評價。

2.2 淮北平原麥地重金屬污染綜合評價

2.2.1 污染負荷指數(shù)法。運用污染負荷指數(shù)法

對研究區(qū)重金屬進行綜合評價，結(jié)果見表5。對各個元素不同污染級別的樣點數(shù)占比進行計算，具體見表6。

由表5可知，淮北平原土壤各個重金屬CF i的平均值由小到大依次為As<Zn<Cu<Pb<Cr<Cd，其中Cd屬于重度污染，Cu、Pb和Cr是輕度污染，As和Zn沒有發(fā)生污染。每個元素的污染負荷指數(shù)PLI由小到大依次排序為As<Zn<Cu<Pb<Cr<Cd，與各個元素的單一污染指數(shù)相比，大小排序與單一污染指數(shù)的平均值大小排序相同，且污染程度也沒有發(fā)生變化，從各個元素的污染負荷指數(shù)PLI得出重金屬元素的平均污染程度，Cd為主要污染物。

由表6可知，As的樣點全部沒有發(fā)生污染;Zn和Cu均在輕度污染之下，其中，Zn無污染樣點數(shù)最多，占總樣點數(shù)的60.87%;Pb和Cr達到中度污染水平，大部分樣點為無污染和輕度污染，僅有少部分樣點為中度污染;Cd的樣點全部發(fā)生重度污染。整個區(qū)域的PLI為1.31，屬于輕度污染，可見整體來看淮北平原麥地土壤的重金屬污染程度尚且算輕，應(yīng)重點關(guān)注不同重金屬的污染狀況及其空間分布。

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法。運用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對研究區(qū)重金屬進行綜合評價，

土壤中Pb、Cd、Cr、Zn、Cu、As的土壤綜合污染指數(shù)（P 綜合）分別為1.87、12.85、1.93、1.29、1.51、0.45，整個區(qū)域的土壤綜合污染指數(shù)為9.38。從內(nèi)梅羅指數(shù)來看，各元素污染程度依次為As<Zn<Cu<Pb<Cr<Cd。其中As的P 綜合低于0.7，處于安全級別;Pb、Cr、Zn和Cu的P 綜合處于輕度污染級別;而Cd的P 綜合已經(jīng)明顯超出標準限值，處于重度污染級別。由內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法的計算結(jié)果可知，Cd是土壤中最主要的污染因子。

在各樣點內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，可知各采樣點的土壤綜合污染指數(shù)在2～12，其中4～5的樣本數(shù)量最多;所有樣點土壤綜合污染指數(shù)的平均值為5.84，屬于重度污染級別。通過計算得出整個區(qū)域的土壤綜合污染指數(shù)為9.38，屬于重度污染級別。

2.2.3 2種污染綜合評價方法對比分析。

從各元素的角度來看，污染負荷指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法的計算結(jié)果均表明As為無污染，Pb、Cr和Cu處于輕度污染，Cd為重度污染，Zn經(jīng)污染負荷指數(shù)法計算為無污染，內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法計算為輕度污染;從各個樣點的角度來看，2種方法計算結(jié)果差別較大，污染負荷指數(shù)法計算出的樣點污染負荷指數(shù)（PLI）大部分為無污染和輕度污染級別，僅有33.33%的樣點為重度污染級別，而在內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法下，由于每個樣點中Cd的P 綜合過高，導(dǎo)致單個樣點重金屬元素的平均P 綜合過高，最終計算得出所有樣點都為中度污染或重度污染級別。綜上所述，淮北平原土壤重金屬污染程度嚴重。

從區(qū)域整體綜合污染計算分析，污染負荷指數(shù)法評價屬于輕度污染，與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法計算結(jié)果出入較大，這體現(xiàn)了2種計算方法的差別，盡管2種方法均基于單一污染指數(shù)，但內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法更強調(diào)污染物對于區(qū)域的影響，從而放大了主要污染物Cd的污染程度，使得內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法所計算出的區(qū)域綜合結(jié)果較大。

2.3 淮北平原麥地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評價 從表7可以看出，淮北平原土壤各個重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)（Ei r）的平均值由小到大依次為Zn<Cr<As<Cu<Pb<Cd。土壤Zn的潛在生態(tài)危害系數(shù)最低，而Cd的潛在生態(tài)危害系數(shù)最高。對各樣點的生態(tài)風(fēng)險程度進行統(tǒng)計，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表8），所有樣點的As、Zn、Cu、Pb和Cr的潛在生態(tài)危害系數(shù)均為低風(fēng)險，而對比重金屬污染物Cd，有13.04%的樣點達到較強風(fēng)險，73.92%的樣點達到很強風(fēng)險，13.04%的樣點達到極強風(fēng)險，由此可見，最主要的生態(tài)風(fēng)險因子是Cd。其他重金屬的生態(tài)風(fēng)險較低，各樣點均屬于低風(fēng)險。

淮北平原土壤重金屬的綜合潛在風(fēng)險指數(shù)（RI）為21.63～5 488.73，極差高達5 467.10，RI平均值從小到大依次為Zn<Cr<As<Cu<Pb<Cd，排序順序與淮北平原土壤各個重金屬單項的平均值大小順序相同，其中，Zn、Cr、As、Cu屬于低風(fēng)險，Pb為中等風(fēng)險，Cd為很強風(fēng)險。從各個樣點的綜合潛在風(fēng)險指數(shù)（RI）來看，處于低生態(tài)風(fēng)險水平的樣點數(shù)占樣點總數(shù)的65.66%，處于中等風(fēng)險和很強風(fēng)險水平的樣點數(shù)均占樣點總數(shù)的17.17%。

3 結(jié)論

（1）淮北平原麥地土壤中Pb、Cd、Cr、Zn、Cu和As的平均含量分別為46.11、1.13、94.67、80.31、32.71和6.11 mg/kg。Cu、Pb、Zn、Cr 這4種重金屬元素為中等變異，As和Cd這2種重金屬元素為強變異。

（2）運用污染負荷指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法綜合評價，淮北平原麥地土壤中As為無污染，Pb、Cr和Cu處于輕度污染，Cd為重度污染，Zn經(jīng)污染負荷指數(shù)法計算為無污染、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法計算為輕度污染。

（3）淮北平原麥地土壤中各個重金屬潛在生態(tài)危害系數(shù)（Ei r）的平均值由小到大依次為Zn<Cr<As<Cu<Pb<Cd。其中，Zn、Cr、As、Cu屬于低風(fēng)險，Pb為中等風(fēng)險，Cd為很強風(fēng)險，可見Cd是最主要的污染因子，也是最為主要的潛在生態(tài)風(fēng)險因子。

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